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      柴河水庫下游河道防洪能力分析

      2022-07-27 10:06:44王宇明
      水利技術監(jiān)督 2022年8期
      關鍵詞:柴河鐵路橋橡膠壩

      王宇明

      (中鐵北方遼寧總部中鐵東北投資發(fā)展有限公司,遼寧 沈陽 110003)

      近年來由于經濟社會的快速發(fā)展,對于河道防洪工程的投資建設也在不斷加大。雖然客觀上來說這些工程措施為河道治理提供了有力條件[1- 2],但同時受到橋梁、景觀公園等建筑物建設、人類采砂活動等因素的影響,原本的河道防洪能力也產生了不同程度的變化[3- 4]。為了準確評判河道的行洪能力,需要根據研究區(qū)河道自身的特點對其進行科學的河段劃分[5- 7],選取合適的觀測斷面,確定準確的特征水位分析[8],并結合河道上現有的水利工程的控制和調節(jié)作用[9],科學合理地指導防汛抗旱工作。

      1 研究區(qū)概況

      1.1 河道情況

      柴河作為遼河的一級支流發(fā)源于遼寧省清原縣天橋嶺,整個流域面積為1441km2,長度為133km,全河比降為1.91‰。歷史上柴河曾發(fā)生過多次洪澇災害,為控制柴河洪水、減輕遼河防汛的壓力,于1972年在柴河上游熊官屯鄉(xiāng)興隆店修建了柴河水庫,控制面積1355km2,占流域面積的94%。水庫建成后預計消減設計洪水90%,對水庫下游的河道防洪起到了十分明顯的作用[10]。水庫下游屬低丘平原河流,地勢平坦。

      1.2 工程現狀

      柴河水庫下游治理長度為6.3km,治理型式主要為堤防和護岸。其中柴河大橋下游左岸為鐵嶺市城區(qū),屬遼河回水段,堤防設計標準100a一遇;柴河大橋至柴河橡膠壩屬于城郊段,防洪標準為50a一遇;柴河橡膠壩以上為農村段,基本無堤,防洪標準為20a一遇。柴河水庫下游跨河橋梁共5座,跨河閘壩共3處。

      2 現狀河道防洪能力分析

      2.1 現狀堤防修建情況

      柴河水庫下游主要為鐵嶺市,兩岸合計治理長度6.3km,其中左岸4.0km,右岸2.3km。其中長大鐵路橋下游緊鄰遼河大堤,屬于柴河入遼河河口段;長大鐵路橋至柴河大橋段是鐵嶺城市防洪遼河100a一遇標準回水段,現狀左岸建有堤防,治理長度2.3km,設計標準為遼河100a一遇,右岸緊臨長大鐵路橋段建有堤防1.0km。柴河大橋至柴河橡膠壩段防護型式主要以墻式護岸或路岸結合為主,兩岸總計治理長度3.0km,其中左岸1.7km,右岸1.3km,防洪標準50a一遇;柴河橡膠壩以上河段為鐵嶺市農村段,防洪標準為20a一遇,但該段無系統(tǒng)建設的堤防或護岸,主要以高地為主。

      2.2 計算方法

      2.2.1模型采用

      由于柴河水庫下游缺少歷史實測地形等相關資料,且整個下游河道相對順直,基本未出現水流橫向流動情況,因此可采用一維數學模型對河道防洪能力進行分析與研究。

      通過一維水力模型計算水面線,河道、橋梁處均采用能量方程進行計算,其計算公式為:

      (1)

      (2)

      式中,Z1,Z2—上下游河道斷面的河底高程,m;Y1,Y2—上下游河道斷面水深,m;V1,V2—上下游河道斷面平均流速,m/s;he—水頭損失,m;α1,α2—修正系數;L—河段長度,m;Sf—斷面比降;C—收縮系數。

      當橋地板高程高于過橋水位且低于上游來水水位時,過水能力方程計算公式為:

      (3)

      式中,Q—過水流量,m3/s;Cd—壓力流流量系數;ABU—過水面積,m2;Y3—橋上游斷面的水力深度,m;Z—橋上游下弦到河底的距離,m。

      當上游來水過橋時形成淹沒出流,橋面以上出現堰流。橋面以下形成全壓力流,其計算公式為:

      (4)

      式中,Q—橋面以下壓力流流量,m3/s;C—流量系數;A—過水面積,m2;H—行進流速水深,m。

      堰流方程如下:

      (5)

      式中,Q—過水流量,m3/s;C—堰流流量系數,m3/s;L—過水寬度,m;其余變量含義同前。

      2.2.2計算條件

      (1)地形資料。本次計算橫斷面資料主要采用2020年實測地形,柴河水庫下游河段計算長度11.4km,計算斷面20個;平面圖采用2019年航拍圖。

      (2)起始斷面和起點水位。在遼河設計、柴河相應工況下,遼河回水末端在柴河大橋,起始斷面長大鐵路橋受遼河洪水影響。當遼河發(fā)生100a一遇洪水時,遼河設計流量6779m3/s,柴河河口處設計水位62.24m;當遼河發(fā)生50a一遇洪水時,遼河設計流量5718m3/s,柴河河口處設計水位61.63m。遼河洪水控制工況下起始斷面和起點水位見表1。

      表1 遼河洪水控制工況下起始斷面和起點水位成果

      由表1的水位成果可以看出,遼河100a一遇和50a一遇時的水位均高于長大鐵路橋下游柴河灌區(qū)攔河閘的壩頂高程60.55m,因此遼河的回水對其上游有一定影響。

      在柴河設計、遼河相應工況下,遼河回水末端在柴河灌區(qū)攔河壩,起始斷面長大鐵路橋(位于柴河灌區(qū)攔河壩上游)不受遼河洪水影響。該工況主要是為確定柴河大橋上游段河道實際行洪能力,其中城市段防洪標準為50a一遇,農村段防洪標準為20a一遇。根據遼寧省水利水電勘測設計研究院編制完成的《柴河水庫除險加固工程初步設計報告》(2006年5月),柴河水庫不同頻率洪水調節(jié)成果見表2。長大鐵路橋下游200m處建有柴河灌區(qū)攔河閘,溢流壩長度150m,壩頂高程60.55m,設3孔泄洪閘,閘室凈寬8.5m,受其壅水的影響,斷面(C2)不同頻率的起點水位成果見表3。

      表2 柴河水庫洪水調節(jié)成果

      表3 柴河洪水控制工況下起始斷面和起點水位成果

      2.2.3糙率

      柴河水庫下游由于缺少實測洪痕資料,本次根據現場查勘并參考《水力學計算手冊》,主河槽糙率取值在0.025~0.028之間,灘槽糙率取值在0.032~0.045之間。

      2.3 現狀行洪能力復核

      柴河水庫下游段主要流經鐵嶺市,為現狀河道防洪能力分析與研究的重點,分析與研究范圍為柴河水庫溢洪道入柴河處至長大鐵路橋,河道長度11.4km。

      2.3.1遼河洪水控制工況

      遼河洪水控制工況下,遼河回水影響河段為長大鐵路橋至柴河大橋段,該段左岸為鐵嶺市城區(qū),建設回水堤2.3km,設計防洪標準為遼河100a一遇。右岸為鐵嶺農村段,防洪標準為50a一遇,該段不受遼河回水影響,因此右岸列入柴河洪水控制工況下進行分析計算。經過計算,現狀堤防防洪能力達標情況見表4。

      表4 遼河回水段防洪能力達標情況 單位:m

      由表4可知,遼河回水段現狀堤防高度達標。由于該段堤防為遼河鐵嶺市城市防洪工程,因此堤防防洪能力參照遼河。

      2.3.2柴河洪水控制工況

      柴河洪水控制工況下,遼河回水末端在長大鐵路橋,長大鐵路橋上游河段不受遼河影響。

      柴河大橋至柴河橡膠壩(二道壩)為鐵嶺市城郊,兩岸基本建有墻式護岸或岸堤,設計防洪標準為50a一遇;柴河橡膠壩以上是農村段,防洪標準20a一遇,兩岸以低丘為主,現狀無堤防。

      根據河道特征及觀測要求,柴河水庫下游劃分為2段分別進行觀測,即溢洪道入柴河處至柴河橡膠壩段,河道長度8.1km,觀測斷面設在熊官屯大橋處;柴河橡膠壩至長大鐵路橋段,河道長度3.3km,觀測斷面設在柴河大橋處,其中柴河大橋至長大鐵路橋左岸為遼河的回水段,堤防保證水位主要受遼河洪水影響,本次按柴河設計,因此只考慮右岸。

      熊官屯橋附近的右岸建有企業(yè),且熊官屯鄉(xiāng)距右岸岸邊只有300m,保護對象比較重要,此處設置觀測點比較有代表性,且便于觀測。

      柴河大橋位于鐵嶺城區(qū)段的中部,上游至柴河橡膠壩段兩岸建有護岸,防洪標準為50a一遇,兩岸城市配套較好,保護對象重要。柴河大橋下游左岸為遼河回水段。此處設置觀測點可以全面反映城區(qū)段水情變化情況,代表性強,觀測方便。

      以2020年實測地形資料計算現狀河道的行洪能力,現狀行洪能力成果見表5。

      表5 柴河水庫下游河道現狀防洪能力成果

      2.4 柴河水庫下游段成果分析

      柴河橡膠壩下游為鐵嶺城市段,本次復核考慮的河段包括柴河橡膠壩至柴河大橋段左、右岸和柴河大橋至長大鐵路橋段右岸,防洪標準均為50a一遇。其中柴河大橋至長大鐵路橋段右岸僅在長大鐵路橋上游建有堤防1km,通過復核計算,C4斷面位置右岸的過流量為499m3/s,小于50a一遇的防洪設計標準518m3/s,該段過流能力較小的主要原因是隨著城市的發(fā)展,城市建設不斷擠占河道,河道內阻礙防洪建筑物較多,造成行洪斷面變小,防洪能力降低。柴河大橋至柴河橡膠壩段防洪標準為50a一遇,主要以墻式護岸和高地為主,基本滿足50a一遇標準的洪水過流要求,其中C7斷面過流能力最小,左岸保證流量643m3/s,右岸保證流量718m3/s,相對較低的原因是左岸修建濱河公園,右岸城市建設擠占河道。

      3 成果分析

      柴河大橋觀測點主要控制柴河橡膠壩至長大鐵路橋段(不含遼河100a一遇洪水回水段左岸),該段為鐵嶺市城區(qū),河道長度3.3km,防洪標準50a一遇,相應洪峰流量為518m3/s,左岸最小過流能力斷面為C7,保證水位為63.42m,保證流量643m3/s,觀測點相應保證水位63.29m;右岸最小過流能力斷面為C4斷面,保證水位為62.46m,保證流量為499m3/s,觀測點相應保證水位62.98m。城區(qū)段基本建有防洪工程,警戒流量取287m3/s,觀測點相應警戒水位是62.24m。

      為保護現狀耕地(含灘地內),計算柴河水庫下游旱田保證水位及保證流量,成果見表6。

      表6 柴河水庫下游旱田保證水位及保證流量

      4 結語

      (1)部分河段防洪能力不達標。柴河大橋至長大鐵路橋段C4斷面右岸過流能力為499m3/s,低于50a一遇洪峰流量518m3/s;下肥地鄉(xiāng)的左岸保證流量653m3/s,右岸保證流量513m3/s,均低于10a一遇設計洪峰流量742m3/s;上肥地鄉(xiāng)的左岸保證流量588m3/s,低于10a一遇設計洪峰流量606m3/s。上述河段汛期應加強防護,做好應急救援預案,對于有堤段應對防護工程進行加固加高。

      (2)臨河建筑受洪水威脅較大。熊官屯橋上、下游的右岸靠近河道處建有村屯和企業(yè),且距離河道較近,高程較低,當流量達到300m3/s時,村屯就受到威脅,該段汛期應加強巡視,且應修建防護工程,保護村屯和企業(yè)的安全。

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